第三章硬件电路设计
太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池输出的直流电逆变成交流电，并送入电网。其硬件电路主要包括主功率逆变电路、辅助电源电路、DSP主控制电路及通讯和接口等几大部分。
3.1 DSP控制器电路设计
3.1.1使用Tl公司的DSP芯片TMS320LF2407作为控制CPU
CPU控制回路部分作为该逆变器的大脑部分，其功能为完成脉宽调制波(SPWM波)的生成和一些诸如MPPT、孤岛保护等重要的控制功能的实现。以下将对DsP技术及所使用的DSP芯片TMS320F2407的性能作一介绍，并同时阐述使用该芯片的理由。
DSP又称数字信号处理器，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。在当今的数字化时代背景下，DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。DSP应用广泛，其主要应用市场为3C(c咖unication，Computer、Cons咖er一通信、计算机、消费类)领域，合计占整个市场需求的9既。在数字蜂窝电话、Modem，PC机及消费类电子产品中处处可见DSP芯片的身影。
该逆变系统所选用的DPS芯片为MTS32OLF2407，是由美国ir公司(德州仪器公司)推出的数字信号处理器TMs320家族中的一员，属于TMs32oC200系列.作为DSP控制器TMS32oc24x系列的新成员，是TMS32oc200平台下的一种定点DSP芯片。240x芯片具有低成本、低功耗、高性能的处理能力.在与现存24xDSP控制芯片代码兼容的同时，240x芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点。内部结构方框图如图3一1所示:TMS320LF2407DSP有以下一些具体的特点:
·采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗;03IMPS的执行速度使得周期缩短到33ns(03阳)2，从而提高了控制器的实时控制能力。
《二》存储器部分《三)事件管理器 图3一IDSP内部结构方框图
·基于WMS320CZxxDSP的CPU核CZxLP，保证TT邓320LF2407的DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容.
·片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1. 5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM(ADRAM)和2K字的单口RAM(ASRAM);还有可扩展的外部存储器总共为129K字空间;46K字程序存储器空间;64K字数据存储器空间;64K字1/0寻址空间。
·每个事件管理器(包括两个事件管理器EVA和EvB)均有: 1)18个16位比较/脉宽调制(PwM)通道
2)22个16位通用定时器，有6个工作模式，包括连续递增和连续加/减计数 3)5个16位全比较单元，有死区单元
4)3个16位输入捕获单元，2个有正交编码器脉冲接口功能 ·看门狗定时器模块(WDT)。
。10位A/D转换器最小转换时间为50Ons，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。
·控制器局域网络(CAN)2.OB模块。 ·串行通信外设接口(sci)模块。 ·16位的串行外设(spi)接口模块。 ·基于锁相环的时钟发生器。
·高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。 ·5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。
·电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 3.1.2选择TMS32OLF2407芯片作为控制核心的原因
目前，随着单片机技术的迅速发展，涌现出许多高性能单片机。选择一款合适的控制芯片十分重要。以TMS32OLF2407(下称F2407)芯片作为最终选择是由该芯片强大的功能所决定的，理由如下:
·每片F2407具有两个事件管理器(EvA，EVB)，并且每个事件管理器都具有2个通用定时器，8个16位PMW
通道，可以方便地产生三相PWM波，对功率开关器件进行SPWM控制。
·F2407运行速度很快，可以用软件实现滤波，跟踪等功能，而不需使用任何硬件，这也是数字信号处理器的特点。
·F2407具有方便的A/D接口和数字量接口。
·F2407具有良好、方便的通讯功能，可以和微机进行串口通讯，便于系统网络化。 ·F2407内部具有16K*l6位字的EZPROM，可以满足普通的系统软件的容量要求。同时大大简化了外围硬件，提高了系统的稳定性和可靠性101
·F2407的指令系统功能强大，适合进行数字信号处理。 3.2外围采样电路设计
电网电压同步信号采样电路设计
在控制并网电流和电网电压同步的过程中，DsP需要采集电网电压值及电网电压信号的频率和相位以实现逆变系统输出的电流与电网电压同频、同相。在本系统中，通过DsP的捕捉功能来捕获电网电压的上升沿，从而产生同步中断，复位正弦表并重新设定逆变器输出电流的频率。电网电压采样电路如图3一2所示:
图3一2电网电压量及同步信号检测电路
在系统中与电压传感器(输出电压信号Av)C相串联电阻R巧起到一个分压的作用，电压传感器将电网电压按比例(本设计比例值为100:1)输出为VAC。通过比较器将正弦波转换成方波，再通过稳压二极管对方波限幅，然后连到DsP的以CAP2管脚上。当方波信号出现上升沿时，即为电网电压过零点，DsP就会产生中断，中断子程序就会复位正弦表，从零重新开始执行。
由于参与运算的主要是直流侧电压、直流侧电流、电感电流与输出电压，所以我们除了采集电网电压信号还需要采集这几个参数。
交流电压检测
交流电压的采样和电网电压同步信号的采样取自同一电压传感器，电路如图3一2所示，首先进行Rc滤波，去除高频干扰，然后又通过一电压跟随器进一步增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电压之上，再将其嵌位在0一3.3v之间，在连接DsP的加CINZ管脚之前通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接DSP的A民INZ管脚。
直流侧电压检测
模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DPs可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电和弱电的隔离，选用惠普公司的HCPL780A型光电耦合器，其非线性度为0.004%，共模电压为I00V时的共模抑制能力为15kv/lps，增益温漂为0.0025V/℃，带宽为IO0kHz。具体隔离检测电路如图3一3所示。
图3一3电池电压检测电路
对于光伏阵列输出的直流电压的检测，我们采用电阻分压的方法进行取样，然后用光耦进行隔离以保障控制部分的安全。再进行Rc滤波，去除高频干扰，然后再通过一电压跟随器进一步增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电压之上，再将其嵌位在在0一33V之间。再通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接DSP的Aoc工NS管脚。
直流电流检测
对于直流电流的取样，我们通过在直流输入端串入一个电流传感器来测得Ioc，经过电池电流采样电路再输送给DsP芯片。具体检测电路如图3-4所示:
图3-4电池电流采样电路
电流传感器的实际和采样输出的比例为100:1，R4为取样电阻，将输出电流信号转化为电压信号。再通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接DSP的ADCIN3管脚。
电感电流检测
电感电流的采样也是通过莱姆公司电流传感器获取电流信号IL，同样由于DSP的A/D采样电平只能为正，所以我们也进行了滤波和电压提升以及嵌位的处理。电路如图3一5所示:
图3一5电感电流采样电路 3.3辅助电源设计
本设计中的控制用电，以及驱动和传感器用电，都是从辅助电源取得，辅助电源通过一反激变换器将太阳能电池输出的20于400V的直流电转换为多路+5v、一5v、+15v、一15v等电源，对整个光伏逆变系统供电。另外，它还包括系统的启动电路、继电器驱动电路、CAN通讯和485通讯等。
3.3.1反激变换器设计
为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，需要设计一个与主逆变电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为太阳能电池输出的20于40V的直流电，输出的7路电压分别为+l5V0、+15vc、+15VB、+15V、一15V、+5v、一5v。采用高性能的固定频率电流控制器UC3842芯片进行辅助电源设计，具体设计的时候采用的是单端反激变换器电路，设计最大功率为12W。几路十15v分别供运放，、驱动和传感器用电;一巧V给传感器供电，+5V、一5V给相关电路中的光耦等芯片供电。集成芯片采用的是Uc3842，单端反激电路工作在电流断续状态。
在反激拓扑中，开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供，开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感，从而可以减小变换器体积，降低成本。反激变换器广泛应用于高电压、小功率、多组输出的场合.由于不需要输出电感，输入电压和负载变化时反激变化时反激变换器的各输出端都能很好地跟随调整。代
当Ql导通时，所有的整流二极管都截止，输出电容给负载供电。LO相当于一个纯电感，流过LO的电流线性上升。当Ql关断时，初级储存的能量传送到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。而次级本身相当于一个buck变换器。buck变换器原理详述见本文2.3节。
3824芯片简介
CU3842是一种高性能的固定频率的电流模式P恻发生器，CU3824的内部框图如图3一6所示，主要包括:5.OV基准电压源、振荡器、误差放大器、电流测定比较器、P毗锁存器、输入和基准欠电压锁定电路等。
该芯片主要有以下性能:
1)可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比; 2)电流方式工作达500kHz; 3)封锁P明用于周期电流限制; 4)具有滞后的欠压封锁:
5)带锁定的PMW可以实现逐个脉冲的电流限制:
6)启动电流和工作电流低，起动电流小于1毗，正常工作电流为巧毗。
图3一6UC3842内部框图 3.3.2其他电路设计 继电器驱动电路
来自DSP控制板的继电器驱动信号DILA和DLZA不能满足继电器控制信号的要求，需要进行驱动和放大。本设计先通过光耦TLP521进行信号隔离和放大，再通过达林顿晶体管阵列芯片ULNZo3A进行驱动。ULNZOO3A是一种高电压，大电流的达林顿晶体管阵列，内部集成7个门电路。电路图如图3一7所示:
图3一7继电器驱动电路
CAN通讯
为了更好地实现人机交流，需要将整个逆变器的工作状态参数及一些检测信号传输到控制中心并显示其工作情况，。以便对整个逆变器系统进行长期监控，记录其工作时的各项参数，及时发现问题。从而就需要进行通讯电路的设计。
CAN通讯是WM5320LF2407芯片的优势之一，CAN通讯有结构简单、通信方式灵活、采用短祯格式、采用非破坏性总线仲裁技术、通讯距离远，通讯速度快等特点。电路图如图3一8所示:
图3一SCAN通讯电路
第四章控制系统软件设计
光伏并网逆变器的功能是将太阳能电池输出的直流电转化为符合电网要求的交流电然后输送到公共电网，从而实现并网发电。根据光伏并网发电系统的功能和性能要求，能量的传输与变化有多种方式，系统相应的配置、逆变器的拓扑结构以及系统的控制方法也各不相同。
光伏并网逆变器按控制方式分类，可以分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方式1调。电压源型逆变器是采用电容作为储能元件，在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节，构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，即电压源特性。以电流源为输入方式的逆变器，其直流侧需串联一个大电感作为无功元件储存无功功率，构成逆变器高阻抗的电流源特性，提供稳定的直流电流输入，但是串入大电感往往会导致系统动态响应差，因此目前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。
逆变器的并网输出控制可分为电压控制和电流控制。由于电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源的并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与电网同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输出。但是由于锁相回路的响应慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。
如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。由于控制方法简单，因此使用比较广泛。
本系统也采用电压源输入、电流源输出的控制方式。 4.1电流跟踪控制方式
采用电流型输出的并网系统，输出电流的控制方式一般有SPWM电流跟踪方、电流滞环瞬时比较方式、SVPWM电流控制、重复控制，复合控制等控制方式，较常用的电流控制方法有:SPWM电流跟踪方式、电流滞环瞬时比较方式、SvPWM电流控制等。
4.1.1三角波比较方式的电流跟踪方式
这种方法也可以称为SP恻电流跟踪方式，控制原理图如图4一1所示。将指令电流ic’与并网电流it的实时值进行比较，两者的差值经Pl调节与三角波比较，输出PWM信号。
此方法的电流跟踪特性和Pl参数有关，对于Pl电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率，以改善输出波形。这种方式输出电流的谐波比滞环比较方式少，因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方。
PWM信号 三角波
图4-1SPWM电流控制图 这种电流控制方法的特点: ?电流跟随误差较大; ?软件实现相对复杂:
?输出电压中主要含有与载波相同频率的谐波: ?开关器件的开关频率等于载波的频率:
?电流响应相对于电流滞环瞬时值比较方式较慢【，月。 4.1.2电流滞环瞬时比较方式
电流滞环瞬时比较方式的原理图如图4一2所示.以‘。作为滞环比较器的环宽，当指令电流扩和实际并网电流ic的差值超过环宽时，就产生MW信号。如果越。确定，则输出电流的误差范围不变。从越小，则输出电流误差越小，但是开郑州大学硕士学位论文第四章控制系统软件设计关频率也越高。
这种控制方案的特点:
?实时控制，电流响应快，控制准确; ?控制方法简单11熟
